DE19721883A1 - Interferometric measuring device for measuring shape of object surface - Google Patents
Interferometric measuring device for measuring shape of object surfaceInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine interferometrische Meßvorrichtung zur Form vermessung an rauhen Oberflächen eines Meßobjekts mit einer Strahlungser zeugungseinheit zur Abgabe einer kurzkohärenten Strahlung, einem ersten Strahlteiler zum Bilden eines ersten und eines zweiten Teilstrahls, von denen der eine auf die zu vermessende Oberfläche und der andere auf eine Vorrichtung mit einem reflektierenden Element zum periodischen Ändern des Lichtweges gerichtet ist, mit einem Überlage rungselement, an dem die von der Oberfläche und der Vorrichtung kommende Strahlung zur Interferenz gebracht werden und mit einem Photodetektor, der die Strahlung auf nimmt.The invention relates to an interferometric measuring device for shape measurement on rough surfaces of a measuring object with a radiation detector Generation unit for emitting a short-coherent radiation, a first beam splitter for forming a first and a second partial beam, one of which is directed towards the measuring surface and the other on a device with a reflective Element for periodically changing the light path is directed with a cover Rungselement on which the radiation coming from the surface and the device to be brought into interference and with a photodetector that detects the radiation takes.
Eine interferometrische Meßvorrichtung dieser Art ist in der Veröffentlichung T. Dressel, G. Häusler, H. Venzke "Three-Dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar", Appl. Opt., Vol. 3, No. 7, vom 01.03.1992 als bekannt ausgewiesen. In dieser Veröffentlichung wird ein Interferometer mit kurzkohärenter Lichtquelle, z. B. einer Laserdiode, und piezobewegtem Spiegel zur Formvermessung an rauhen Oberflächen vorgeschlagen. In der Meßvorrichtung wird ein erster Teilstrahl in Form einer Lichtwelle, die von einem Meßobjekt zurückgestrahlt ist, mit einem zweiten Teilstrahl in Form einer Referenzwelle überlagert. Die beiden Lichtwellen haben eine sehr kurze Kohärenzlänge (einige µm), so daß der Interferenzkontrast ein Maximum erreicht, wenn die optische Wegdifferenz null ist. Zum Ändern des Lichtwegs der Referenzwelle ist ein reflektierendes Element in Form eines piezobewegten Spiegels vorgesehen. Durch den Vergleich der Lage des piezobewegten Spiegels mit der Zeit des Auftretens des Interferenzmaximums, läßt sich der Abstand zum Meßobjekt bestimmen.An interferometric measuring device of this type is described in T. Dressel, G. Häusler, H. Venzke "Three-Dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar ", Appl. Opt., Vol. 3, No. 7, dated March 1, 1992 as known. In this Publication will be an interferometer with a short-coherent light source, e.g. B. one Laser diode and piezo-moving mirror for shape measurement on rough surfaces suggested. A first partial beam in the form of a light wave is which is reflected back from a measurement object, with a second partial beam in the form of a Reference wave superimposed. The two light waves have a very short coherence length (a few µm), so that the interference contrast reaches a maximum when the optical Path difference is zero. To change the light path of the reference wave is a reflective element provided in the form of a piezo-moving mirror. By the Comparison of the position of the piezo-moving mirror with the time of occurrence of the Interference maximum, the distance to the measurement object can be determined.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interferometrische Meßvorrichtung der eingangs genannten Art bereit zu stellen, bei der bei einfachem Aufbau eine erhöhte Meßgenauigkeit erzielbar ist.The invention has for its object an interferometric measuring device to provide at the outset, in which with a simple structure an increased Measuring accuracy can be achieved.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hiernach ist also vorgesehen, daß die Strahlungserzeugungseinheit eine Ansteuereinheit aufweist, mit der die Frequenz der Laserdiode zum Erzeugen der kurzkohärenten Strahlung modulierbar ist. Durch diesen Aufbau der Meßvorrichtung wird eine kostengünstige, leistungsstarke kurzkohärente Lichtquelle mit heute überwiegend hergestellten und daher preiswerten Laserdioden erhalten, so daß ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis und damit eine hohe Meßgenauigkeit erzielt wird. Außerdem läßt sich eine definierte Kohärenzlänge bei ge gebener Wellenlänge erzeugen, so daß z. B. Störstrahlung ausgefiltert werden kann.This object is achieved with the features of claim 1. So after that is provided that the radiation generating unit has a control unit with which the frequency of the laser diode for generating the short-coherent radiation can be modulated is. This structure of the measuring device is an inexpensive, powerful Short-coherent light source with today mainly manufactured and therefore inexpensive Receive laser diodes so that a high signal / noise ratio and thus a high Accuracy of measurement is achieved. In addition, a defined coherence length at ge Generate given wavelength so that, for. B. interference radiation can be filtered out.
Einfache Maßnahmen für die Frequenzmodulation bestehen darin, daß die Frequenz modulation durch Modulation des Injektionsstroms oder der geometrischen Länge eines Resonators der Laserdiode erfolgt. Simple measures for frequency modulation are that the frequency modulation by modulating the injection current or the geometric length of a Resonator of the laser diode takes place.
Eine geeignete, leistungsstarke Lichtquelle besteht z. B. darin, daß die Laserdiode schmalbandig ist und eine Kohärenzlänge zwischen 10 mm und einigen Metern besitzt.A suitable, powerful light source is e.g. B. in that the laser diode is narrow-band and has a coherence length between 10 mm and a few meters.
Eine weitere Maßnahme, die Meßgenauigkeit zu erhöhen und dabei den Aufwand zu reduzieren, besteht darin, daß die Vorrichtung zum Ändern des Lichtwegs eine im Strahlengang angeordnete akustooptische Deflektoreinrichtung und dahinter ortsfest an geordnet das reflektierende Element aufweist, und daß die Deflektoreinrichtung fre quenzmoduliert angesteuert ist und in bezug auf den ankommenden Teilstrahl sowie auf das reflektierende Element derart angeordnet ist, daß der zu dem Überlagerungselement geführte Strahl durch seine Ablenkung in der Deflektoreinrichtung die Änderung seines Lichtwegs erfährt. Mit der akustooptischen Deflektoreinrichtung in Verbindung mit dem dahinter ortsfest angeordneten reflektierenden Element wird ohne mechanische Be wegung eine Änderung des Lichtwegs erzeugt, indem lediglich die Ansteuerfrequenz der Deflektoreinrichtung moduliert wird. Gleichzeitig wird durch die Kenntnis der Modula tionsfrequenz eine einfache Erfassung des Lichtwegs ermöglicht und damit der Abstand zum Meßobjekt durch Erfassung des Interferenz-Maximums bestimmbar.Another measure to increase the measuring accuracy and thereby the effort reduce, is that the device for changing the light path an im Beam path arranged acousto-optical deflector and behind it stationary ordered the reflective element, and that the deflector means fre is controlled in a modulated manner and with respect to the incoming partial beam and on the reflective element is arranged such that the to the overlay element guided beam by changing its deflection in the deflector device Experiences light path. With the acousto-optical deflector device in connection with the behind it fixed reflective element is without mechanical loading movement creates a change in the light path by only the drive frequency of Deflector device is modulated. At the same time, by knowing the modula frequency allows easy detection of the light path and thus the distance can be determined for the test object by recording the maximum interference.
Ein einfacher Aufbau der Meßvorrichtung besteht darin, daß die Deflektoreinrichtung zwei im Strahlengang hintereinander angeordnete Deflektoren aufweist, von denen der erste Deflektor den ankommenden Teilstrahl in Abhängigkeit von der Frequenz um einen zeitlich variablen Winkel ablenkt und der zweite Deflektor die Winkelablenkung zurück setzt, so daß der zweite Teilstrahl wieder in der Einfallsrichtung bzgl. des ersten Deflektors parallel versetzt weiterverläuft, und daß das reflektierende Element als Beugungsgitter ausgebildet ist, das bezüglich des aus dem zweiten Deflektor aus tretenden Teilstrahles derart schräg ausgerichtet ist, daß der Teilstrahl in Einfallsrichtung zurückgeführt wird. Mit diesen Maßnahmen wird der auf das reflektierende Element in Form des Beugungsgitters auftreffende erste Teilstrahl bei jeder Modulationsfrequenz, das heißt bei jedem Ablenkwinkel in sich selbst zurückgeführt, wobei sein Lichtweg mit der Modulationsfrequenz variiert. A simple structure of the measuring device is that the deflector device has two deflectors arranged one behind the other in the beam path, of which the first deflector the incoming beam depending on the frequency by one time-variable angle deflects and the second deflector returns the angle deflection sets, so that the second beam is again in the direction of incidence with respect to the first Deflector continues parallel offset, and that the reflective element as Diffraction grating is formed with respect to that from the second deflector emerging partial beam is aligned obliquely so that the partial beam in the direction of incidence is returned. With these measures, the reflective element in Shape of the diffraction grating, the first partial beam at each modulation frequency, that is, returned to itself at every deflection angle, with its light path included the modulation frequency varies.
Eine einfache vorteilhafte Ausgestaltung wird dadurch erzielt, daß die Deflektoren von einem gemeinsamen Deflektor-Treiber angesteuert werden, und daß eine Information über die Modulationsfrequenz an eine Auswerteschaltung gegeben wird, der auch das Ausgangssignal des Photodetektors zugeführt ist, und daß in der Auswerteschaltung auf der Basis der Information und des Ausgangssignals der Abstand zum Meßpunkt des Meßobjektes bestimmbar ist. Da der Lichtweg unmittelbar und trägheitslos von der Modulationsfrequenz abhängt, wird der Lichtweg stets genau erfaßt und die Lage des Meßobjekts zuverlässig bestimmbar.A simple advantageous embodiment is achieved in that the deflectors of a common deflector driver can be controlled, and that information is given to an evaluation circuit via the modulation frequency, which also Output signal of the photodetector is supplied, and that in the evaluation circuit based on the information and the output signal, the distance to the measuring point of the Object to be measured is determinable. Since the light path is immediate and inertial from the Modulation frequency depends, the light path is always accurately recorded and the location of the Object can be reliably determined.
Die Anordnung der Meßvorrichtung kann vorteilhaft derart ausgelegt sein, daß zwischen der Strahlungserzeugungseinrichtung und dem ersten Strahlteiler ein Kollimator ange ordnet ist, daß zwischen dem Strahlteiler und dem Meßobjekt ein zweiter Strahlteiler zum Führen des ersten Teilstrahls über eine Fokussierungslinse auf das Meßobjekt und des von dem Meßobjekt reflektierten Teilstrahls auf das Überlagerungselement in Form eines weiteren Strahlteilers angeordnet ist, und daß zwischen dem ersten Strahlteiler und dem ersten Deflektor ein dritter Strahlteiler angeordnet ist, mit dem der über den ersten Deflektor zurückkehrende zweite Teilstrahl auf den weiteren Strahlteiler zum Interferieren mit dem von dem Meßobjekt reflektierten Teilstrahl gerichtet ist.The arrangement of the measuring device can advantageously be designed such that between the radiation generating device and the first beam splitter a collimator arranges that between the beam splitter and the measurement object, a second beam splitter for guiding the first partial beam via a focusing lens onto the measurement object and of the partial beam reflected by the measurement object onto the superimposition element in the form a further beam splitter is arranged, and that between the first beam splitter and the first deflector, a third beam splitter is arranged, with which the first deflector returning second partial beam to the further beam splitter for Interfering with the partial beam reflected by the measurement object is directed.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt in schematischer Darstellung einen Aufbau einer interferometrischen Meßvorrichtung zur Formvermessung an rauhen Ober flächen eines Meßobjekts 7.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment with reference to the drawing. The figure shows a schematic representation of a structure of an interferometric measuring device for shape measurement on rough surfaces of a measurement object 7 .
Ein kollimierter Strahl einer kurzkohärenten Strahlungserzeugungseinheit mit einer Lichtquelle in Form einer Laserdiode und mit einer Ansteuereinheit 15 wird in einem ersten Strahlteiler ST1 in einen ersten und einen zweiten Teilstrahl 3 bzw. 4 aufgeteilt. Der erste Teilstrahl 3 wird über einen akustooptischen Modulator 5 über einen zweiten Strahlteiler ST2 und eine Fokussierungslinse 6 auf die Oberfläche des Meßobjekts 7 gerichtet. Nach der Rückreflexion erreicht der erste Teilstrahl einen vierten Strahlteiler ST4. A collimated beam from a short-coherent radiation generation unit with a light source in the form of a laser diode and with a control unit 15 is divided into a first and a second partial beam 3 and 4 in a first beam splitter ST1. The first partial beam 3 is directed via an acousto-optical modulator 5 via a second beam splitter ST2 and a focusing lens 6 onto the surface of the measurement object 7 . After the back reflection, the first partial beam reaches a fourth beam splitter ST4.
Der an dem ersten Strahlteiler ST1 abgeteilte zweite Teilstrahl 4 läuft durch einen dritten Strahlteiler ST3 und anschließend durch zwei akustooptische Deflektoren 8, 9, die mittels eines gemeinsamen Deflektor-Treibers 12 frequenzmoduliert angesteuert werden. Durch die Frequenzmodulation wird der Ablenkwinkel des zweiten Teilstrahls 4 in dem ersten akustooptischen Deflektor 8 um einen Winkel α variiert. In dem zweiten akustooptischen Deflektor 9 wird der zweite Teilstrahl 4 anschließend wieder in die Richtung abgelenkt, in der er auf den ersten akustooptischen Deflektor 8 auftrifft. Auf diese Weise entsteht ein Parallelversatz des aus dem zweiten akustooptischen Deflektor 9 austretenden zweiten Teilstrahls 4, der anschließend ein reflektierendes Element in Form eines Beugungsgitters 10 beleuchtet. Das Beugungsgitter 10 ist unter einem bestimmten Winkel so geneigt, daß der zurückgebeugte erste Teilstrahl 3 unabhängig von dem Parallelversatz in die interferometrische Anordnung über den Strahlteiler ST3 zurückläuft und sich in dem Strahlteiler ST4 mit dem von dem Meßobjekt 7 kommenden ersten Teilstrahl 3 überlagert. Wenn die beiden Teilstrahlen 3 und 4 die gleiche optische Strecke zurücklegen, hat der Interferenzkontrast ein Maximum erreicht.The second partial beam 4 divided off at the first beam splitter ST1 runs through a third beam splitter ST3 and then through two acousto-optical deflectors 8 , 9 , which are controlled frequency-modulated by means of a common deflector driver 12 . The deflection angle of the second partial beam 4 in the first acousto-optical deflector 8 is varied by an angle α by the frequency modulation. In the second acousto-optical deflector 9 , the second partial beam 4 is then deflected again in the direction in which it strikes the first acousto-optical deflector 8 . This creates a parallel offset of the second partial beam 4 emerging from the second acousto-optical deflector 9 , which subsequently illuminates a reflective element in the form of a diffraction grating 10 . The diffraction grating 10 is inclined at a certain angle in such a way that the first partial beam 3 bent back runs independently of the parallel offset into the interferometric arrangement via the beam splitter ST3 and is superimposed in the beam splitter ST4 with the first partial beam 3 coming from the measurement object 7 . If the two partial beams 3 and 4 cover the same optical path, the interference contrast has reached a maximum.
Da die beiden akustooptischen Deflektoren 8, 9 so angeordnet sind, daß die Winkel ablenkung des ersten Deflektors 8 in dem zweiten Deflektor 9 zurückgesetzt und der zweite Teilstrahl 4 nur parallel verschoben wird, wird der Lichtweg bzw. die optische Strecke (Laufzeit) des zweiten Teilstrahls 4 moduliert. Wenn die optische Wegdifferenz beider Teilstrahlen 3, 4 null ist, sieht auch ein im Strahlengang hinter dem vierten Strahlteiler ST4 angeordneter Photodetektor 11 das Interferenzmaximum. Durch den Vergleich des Zeitpunkts des Interferenzmaximums bzw. Signalmaximums des Photo detektors 11 mit der momentanen Frequenz des Deflektor-Treibers 12 in einer Aus werteschaltung 14 läßt sich der Abstand zu dem Meßobjekt 7 genau bestimmen. Wird dabei ein zwischen dem ersten Strahlteiler ST1 und dem zweiten Strahlteiler ST2 ange ordneter akustooptischer Modulator 5 zur Verschiebung der Frequenz des ersten Teil strahls 3 angesteuert, so erfaßt der Photodetektor 11 das Interferenzmaximum in Form eines Wechselsignals mit der Frequenz, mit der der akustooptische Modulator 5 mittels eines Modulator-Treibers 13 angesteuert wird. Since the two acousto-optical deflectors 8 , 9 are arranged so that the angle deflection of the first deflector 8 in the second deflector 9 is reset and the second partial beam 4 is only shifted in parallel, the light path or the optical path (transit time) of the second partial beam 4 modulated. If the optical path difference of the two partial beams 3 , 4 is zero, a photodetector 11 arranged in the beam path behind the fourth beam splitter ST4 also sees the interference maximum. By comparing the time of the interference maximum or signal maximum of the photo detector 11 with the instantaneous frequency of the deflector driver 12 in an evaluation circuit 14 , the distance to the measurement object 7 can be determined exactly. If an acousto-optic modulator 5 arranged between the first beam splitter ST1 and the second beam splitter ST2 is driven to shift the frequency of the first partial beam 3 , the photodetector 11 detects the interference maximum in the form of an alternating signal with the frequency with which the acousto-optical modulator 5 is controlled by a modulator driver 13 .
Die Laserdiode 1 wird mittels der Ansteuereinheit 15 frequenzmoduliert. Dies geschieht beispielsweise durch Modulation des Injektionsstroms oder durch Modulation der geometrischen Länge des Resonators. Auf diese Weise läßt sich die Kohärenzlänge der Laserdiode, die an sich einige Millimeter bis einige Meter beträgt, auf den Bereich einiger Mikrometer verkürzen, so daß das Interferenzmaximum leicht detektierbar ist. In Ver bindung mit der Ansteuereinheit 15 läßt sich eine schmalbandige, leistungsstarke Laserdiode 1 einer geeigneten Wellenlänge verwenden, so daß eine hohe Meßgenauig keit bei kostengünstigem Aufbau erzielbar ist.The laser diode 1 is frequency modulated by means of the control unit 15 . This is done, for example, by modulating the injection current or by modulating the geometric length of the resonator. In this way, the coherence length of the laser diode, which is a few millimeters to a few meters per se, can be shortened to the range of a few micrometers, so that the interference maximum can be easily detected. In connection with the control unit 15 , a narrow-band, powerful laser diode 1 of a suitable wavelength can be used, so that a high measuring accuracy can be achieved with an inexpensive construction.
Claims (7)
daß die Vorrichtung zum Ändern des Lichtweges eine im Strahlengang ange ordnete akustooptische Deflektoreinrichtung (8, 9) und dahinter ortsfest ange ordnet das reflektierende Element (10) aufweist, und
daß die Deflektoreinrichtung (8, 9) frequenzmoduliert angesteuert ist und in bezug auf den ankommenden Teilstrahl sowie auf das reflektierende Element (10) derart angeordnet ist, daß der zu dem Überlagerungselement (ST4) ge führte Strahl durch seine Ablenkung (α) in der Deflektoreinrichtung (8, 9) die Änderung seines Lichtwegs erfährt.4. Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that
that the device for changing the light path has an arranged in the beam path acousto-optical deflector device ( 8 , 9 ) and behind it is arranged the reflective element ( 10 ), and
that the deflector device ( 8 , 9 ) is frequency-modulated and is arranged in relation to the incoming partial beam and the reflecting element ( 10 ) in such a way that the beam to the superimposition element (ST4) leads through its deflection (α) in the deflector device ( 8 , 9 ) experiences the change in its light path.
daß die Deflektoreinrichtung zwei im Strahlengang hintereinander angeordnete Deflektoren (8, 9) aufweist, von denen der erste Deflektor (8) den ankommen den Teilstrahl in Abhängigkeit von der Frequenz um einen zeitlich variablen Winkel ablenkt und der zweite Deflektor (9) die Winkelablenkung zurücksetzt, so daß der zweite Teilstrahl (4) wieder in der Einfallsrichtung bzgl. des ersten Deflektors (8) parallel versetzt weiterverläuft, und
daß das reflektierende Element als Beugungsgitter ausgebildet ist, das bezüglich des aus dem zweiten Deflektor (9) austretenden Teilstrahles derart schräg ausgerichtet ist, daß der Teilstrahl in Einfallsrichtung zurückgeführt wird. 5. Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that
that the deflector device has two deflectors ( 8 , 9 ) arranged one behind the other in the beam path, of which the first deflector ( 8 ) deflects the incoming beam depending on the frequency by a time-variable angle and the second deflector ( 9 ) resets the angle deflection, so that the second partial beam ( 4 ) again continues parallel offset in the direction of incidence with respect to the first deflector ( 8 ), and
that the reflecting element is designed as a diffraction grating which is oriented obliquely with respect to the partial beam emerging from the second deflector ( 9 ) in such a way that the partial beam is returned in the direction of incidence.
daß die Deflektoren (8, 9) von einem gemeinsamen Deflektor-Treiber (12) an gesteuert werden, und
daß eine Information über die Modulationsfrequenz an eine Auswerteschaltung (14) gegeben wird, der auch das Ausgangssignal des Photodetektors (11) zu geführt ist, und
daß in der Auswerteschaltung (14) auf der Basis der Information und des Aus gangssignals der Abstand zum Meßpunkt des Meßobjekts (7) bestimmbar ist.6. Measuring device according to claim 5, characterized in
that the deflectors ( 8 , 9 ) are controlled by a common deflector driver ( 12 ), and
that information about the modulation frequency is given to an evaluation circuit ( 14 ), which is also the output signal of the photodetector ( 11 ), and
that in the evaluation circuit ( 14 ) on the basis of the information and the output signal, the distance to the measuring point of the test object ( 7 ) can be determined.
daß zwischen der Laserdiode (1) und dem ersten Strahlteiler (ST1) ein Kollima tor (2) angeordnet ist,
daß zwischen dem Strahlteiler (ST1) und dem Meßobjekt (7) ein zweiter Strahlteiler (ST2) zum Führen des ersten Teilstrahls (3) über eine Fokus sierungslinse (6) auf das Meßobjekt (7) und des von dem Meßobjekt (7) reflektierten Teilstrahls auf das Überlagerungselement in Form eines weiteren Strahlteilers (ST4) angeordnet ist, und
daß zwischen dem ersten Strahlteiler (ST1) und dem ersten Deflektor (8) ein dritter Strahlteiler (ST3) angeordnet ist, mit dem der über den ersten Deflektor (8) zurückkehrende zweite Teilstrahl (4) auf den weiteren Strahlteiler (ST4) zum Interferieren mit dem von dem Meßobjekt (7) reflektierten Teilstrahl gerichtet ist.7. Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in
that a collimator ( 2 ) is arranged between the laser diode ( 1 ) and the first beam splitter (ST1),
that between the beam splitter (ST1) and the test object ( 7 ), a second beam splitter (ST2) for guiding the first partial beam ( 3 ) via a focusing lens ( 6 ) on the test object ( 7 ) and the partial beam reflected by the test object ( 7 ) is arranged on the superimposition element in the form of a further beam splitter (ST4), and
that a third beam splitter (ST3) is arranged between the first beam splitter (ST1) and the first deflector ( 8 ), with which the second partial beam ( 4 ) returning via the first deflector ( 8 ) onto the further beam splitter (ST4) for interfering with the partial beam reflected by the measurement object ( 7 ) is directed.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20141202 |